Misurare la conduttività termica del cloruro di polivinile clorurato (CPVC)

Il cloruro di polivinile clorurato (CPVC, Figura 1) è un polimero termoplastico derivato dal cloruro di polivinile (PVC). Offre una migliore resistenza alla corrosione e al calore rispetto al PVC, e presenta proprietà ignifughe. Recentemente, ci è stato chiesto da un cliente di fornire dati correlativi nella caratterizzazione della conduttività termica del materiale tramite il metodo Modified Transient Plane Source (MTPS) di C-Therm con i dati del test tradizionale ASTM C-177 (piastra calda custodita).

L’interesse del nostro cliente è motivato dal fatto che mentre il C-177 è un metodo affidabile per misurare la conduttività termica – le sue restrizioni sui campioni e i lunghi tempi di prova lo rendono difficile da utilizzare. In confronto, la comoda interfaccia unilaterale dell’MTPS offre una maggiore flessibilità e desiderano capire la correlazione tra i metodi.

Cloruro di polivinile clorurato usato come materiale di scelta per valvole e tubi idraulici
Figura 1. Il CPVC è usato principalmente nell’idraulica, dove il CPVC è il materiale di scelta per raccordi, valvole e tubi nella maggior parte delle applicazioni.

Benefici del CPVC

Un vantaggio sostanziale nell’usare il CPVC nelle tubazioni è che si autoestingue se non è in contatto diretto con una fiamma. CPVC offre anche una duttilità e una resistenza allo schiacciamento significativamente migliori rispetto al PVC. Queste proprietà contribuiscono alla grande popolarità di questo materiale per le applicazioni idrauliche. Nelle applicazioni idrauliche, la conduttività termica del materiale è importante. Qualsiasi tubazione usata per trasmettere acqua calda dovrebbe idealmente avere una bassa conduttività termica (o un’alta resistenza termica). La conducibilità termica del materiale delle tubazioni è un aspetto importante per massimizzare l’efficienza dell’intero sistema idraulico.

Tipi di CPVC

Il PVC comprende una vasta classe di composti polimerici, con percentuali di clorurazione che variano da produttore a produttore. Le proprietà termiche del materiale, compresa la capacità termica specifica, la temperatura di transizione vetrosa e la conducibilità termica, dipendono fortemente dalla composizione del polimero.

Caratteristiche del CPVC

Nella caratterizzazione della conducibilità termica, i ricercatori si sono tradizionalmente orientati verso tecniche di stato stazionario come ASTM C-177. Tuttavia, negli ultimi venti anni, le innovazioni nei metodi transitori, come l’MTPS, hanno aperto opportunità per metodi di prova più veloci, più facili e più versatili. Questo offre il potenziale per migliorare i test di controllo della qualità delle parti reali e la caratterizzazione accelerata di R&D. La tecnica Modified Transient Plane Source è ampiamente considerata la più coerente e accurata delle tecniche transitorie. Un confronto tra queste tecniche è presentato di seguito.

Metodi per la misurazione della conduttività termica del CPVC

Piastra calda sorvegliata

ASTM C177 (Piastra calda sorvegliata) è nota per essere un metodo assoluto e preciso di analisi della conduttività termica – è il metodo a cui molti altri standard, come ASTM C518, sono calibrati. Per essere valide, le analisi richiedono il raggiungimento dello stato stazionario termico, definito come segue:

8.8.1 Lo stato stazionario termico ai fini di questo metodo di prova è definito analiticamente come:

8.8.1.1 Le temperature delle superfici calda e fredda sono stabili entro la capacità dell’attrezzatura alle condizioni di prova. Idealmente un’analisi degli errori determinerà l’entità delle differenze ammissibili, tuttavia la differenza è solitamente inferiore allo 0,1% della differenza di temperatura.

8.8.1.2 La potenza all’area di misurazione è stabile entro la capacità dell’apparecchiatura. Idealmente un’analisi dell’errore determinerà l’entità delle differenze ammissibili, tuttavia la differenza è solitamente inferiore allo 0,2 % del risultato medio previsto.

8.8.1.3 Le condizioni richieste sopra esistono durante almeno quattro intervalli di 30 minuti di durata o quattro costanti di tempo del sistema, qualunque sia il più lungo.

(ASTM C177)

Dopo aver raggiunto lo stato stazionario, vengono completati tre cicli di acquisizione dei dati, ognuno dei quali dura almeno 30 minuti, per un tempo di prova minimo totale di almeno 3,5 ore, spesso molto più lungo per campioni spessi, microporosi o particolarmente densi. Non è raro che singoli campioni richiedano un giorno per essere analizzati. L’analisi di campioni rigidi – compresi i vetri, le ceramiche e i polimeri al di sotto della loro temperatura di transizione vetrosa – tramite il C177 richiede un’ampia preparazione del campione per garantire che i piani del campione siano paralleli e piatti nella stessa misura delle piastre, il che comporta requisiti di lavorazione estesi e altamente precisi. Inoltre, C177 richiede precauzioni speciali da prendere per i materiali con conducibilità termica superiore a 0,1 W/mK, e per i campioni a riempimento libero (vedi sezioni 7.2.2 e 7.2.4 in ASTM C177 così come ASTM C687 per ulteriori informazioni).

Modified Transient Plane Source (MTPS)

Al contrario, il metodo Modified Transient Plane Source (MTPS) di analisi della conducibilità termica è un metodo transitorio unilaterale. Il test consiste in un impulso di calore transitorio che viene applicato alla superficie del campione attraverso la bobina di platino del sensore. Nello stesso momento in cui la bobina del sensore si riscalda, anche l’anello di guardia viene riscaldato, assicurando che il flusso di calore nel campione sia unidimensionale (per il breve tempo di prova impiegato).

A causa della natura transitoria della misurazione, una singola misurazione è ottenibile in meno di pochi secondi, permettendo la raccolta di un numero statisticamente significativo di punti dati in pochi minuti. Il metodo MTPS è un metodo molto più conveniente per raccogliere dati di conducibilità termica. Per ulteriori dettagli sui punti di differenza tra i metodi, un ulteriore confronto dettagliato è disponibile qui.

Confronto tra i risultati di conduttività termica della piastra calda custodita e del MTPS

Un pezzo di CPVC è stato caratterizzato sia con ASTM C177 che con il metodo MTPS di analisi della conduttività termica in condizioni di temperatura ambiente (circa 25 ◦ Celsius). I risultati sono mostrati nella Figura 2.

Figura 2. Conducibilità termica del CPVC, misurata da ASTM C177 e da MTPS.

Conclusione

La conducibilità termica del CPVC misurata da ASTM C177 era 0,136 W/mK. Il metodo Modified Transient Plane Source è stato impiegato per testare anche il CPVC, e la conduttività termica osservata era di 0,139 W/mK. I risultati per i due metodi di prova concordano in un valore migliore del 2,5%. Studi simili che testano il materiale di riferimento standard (SRM) NIST di Expanded PolyStyrene (EPS) hanno confermato un’accuratezza simile delle prestazioni.

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